生物医用材料导论教案

第1章绪论

1.1概述

生物医用材料是与生物系统相互作用且在医学领域得以应用的材料，其中生物系统包括细

胞、组织、器官等，医学领域的应用则包括对疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织

或器官，增进或恢复其功能等。生物医用材料本身不是药物，其作用不必通过药理学、免

疫学或代谢手段实现，其治疗途径是与生物机体直接结合并产生相互作用，但有时为了促

进生物医用材料更好地发挥其功能，也会将其与药物结合。

人类利用生物医用材料的历史十分悠久。在公元前约3500年，古埃及人就利用棉花纤维、

马鬃做缝合线缝合伤口，用柳树枝和象牙来修补受损的牙齿，墨西哥的印第安人则使用木

片修补受伤的颅骨。在中国和埃及的墓葬中就发现了公元前2500年的假牙、假鼻、假耳。

公元600年，玛雅人用海贝壳制作具有珠光的牙齿，在外观上甚至已经达到了如今所要求的

骨整合水平。尽管当时人们极度缺乏材料学、生物学、医学方面的相关知识，但这并不妨

碍人们利用身边的某些天然材料来治愈伤口、解决人体生理或解剖功能丧失的问题。

从16世纪开始，金属材料开始在骨科领域得到大量应用，1588年，人们利用黄金板修复额

骨。1775年，金属材料开始被用来固定体内骨折。1851年，硫化天然橡胶制成的人工牙托

和颗骨问世。在这一时期，生物医用材料的发展非常缓慢，一方面受到当时自然科学理论

水平和工业技术水平的限制，另一方面也与医生、科学家、工程师三者之间缺少合作有

关，当患者的生命受到严重危害时，往往依靠医生单打独斗，凭借自己的小发明来解决问

题。

进入20世纪中期以后，随着医学、材料学（尤其是高分子材料学）、生物化学、物理学的迅

速发展，高分子材料、陶瓷材料和新型金属材料不断涌现，如：聚羟基乙酸、聚甲基丙烯

酸羟乙酯、胶原、多肽、纤维蛋白、羟基磷灰石、磷酸三钙、形状记忆合金等，这些材料

主要由材料学家研究设计，因此许多材料并不是专门针对医用而设计的，在临床应用过程

中可能存在生物相容性问题，例如最初的血管植入物材料聚酯纤维（俗称涤纶）就来源于纺

织工业，会与血液发生生物反应而导致血管阻塞。但不可否认的是，这些新材料的出现推

动了生物医用材料的发展，各种不同性能的材料可以满足不同的临床需求，也为各种人工

器官的研制奠定了基础。

20世纪80年代后，人类开始将生物技术应用于生物医用材料的研制，将特定组织细胞“种

植”于一种生物相容性良好的、可被人体逐步降解吸收的生物医用材料上，形成细胞一生

物医用材料复合物，其中生物医用材料不断降解并为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养

代谢环境，而细胞经过繁殖逐渐形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官，最终

实现对病损组织或器官在结构、形态和功能等方面的重建，达到永久替代。这种将细胞生

物学和材料科学相结合，在体外或体内构建组织或器官的技术，被称为组织工程，它打破

了人们自古以来形成的“生物医用材料是一类无生命的材料”的观点，赋予了材料生命。

表1-1部分生物医用材料的临床应用

临床应用材料

关节置换（髅、膝）钛合金、不锈钢、聚乙烯

断裂固定骨板不锈钢、钻铭介金

骨水泥聚甲基丙烯酸中酯

竹骼系统

骨缺损修复羟基磷灰石

人工肌腱和韧带聚四氟乙烯、涤纶

牙齿固定的齿科植入物钛、Ti-Al-V合金、不锈钢、聚乙烯、氧化铝、磷酸钙

人工血管涤纶、聚四班乙烯、聚氨酯

心血管系统心脏瓣膜不锈钢、碳质材料

导管硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酶

人工心脏聚氨酯

皮肤修复硅橡胶-胶原复合材料

器官

人工肾（血液透析器）纤维索、聚丙烯脯

心肺装置硅橡胶

人工耳蜗钳电极

人工晶体聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、水凝胶

传感器

接触镜硅橡胶内烯酸酯、水凝胶

角膜绷带胶原、水晶胶

迄今为止，被详细研究过的生物医用材料已有千余种，临床医学上广泛使用的也有几十种。

不同的生物医用材料具有不同的使用性能。一般而言，临床医学对生物医用材料有以下基本

要求：

（1）材料无毒、不致癌、不致畸，不引起人体细胞的突变和不良组织反应。

（2）与人体生物相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等现象。

（3）具有与天然组织相适应的力学性能。

（4）针对不同的使用目的而具有特定的功能。

随着科学技术的不断发展，当代生物医用材料不仅强调材料自身理化性能和生物安全性、可

靠性，还更强调赋予材料生物结构和生物功能，以使其在体内调动并发挥机体自我修复和完

善的能力，重建或修复受损的人体组织和器官。然而生命现象是极其复杂的，是在几百万年

的进化过程中适应生存所需要的结果，生命所具有的生长、再生、修复和精确调控能力是目

前所有生物医用材料均无法比拟的，因此，生物医用材料的现状距离人们的真正期望和要求

还相差很远。

1.2生物医用材料的分类

生物医用材料按用途可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼一肌肉系统修复材料，皮肤、乳房、

食道、呼吸道、膀胱等软组织材料，人工心脏瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料,

血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料•，组织粘合剂和缝线材

料，药物释放载体材料，临床诊断及生物传感器材料，齿科材料等。

生物医用材料按材料在生理环境中的生物化学反应水平分为惰性生物医用材料、活性生物医

用材料、可降解和吸收的生物医用材料。

生物医用材料按材料的组成和性质可以分类如下：

1.生物医用金属材料

生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材

料。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材

料的应用非常广泛，包括硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。除了要求

这类材料具有良好的力学性能及相关的物理性能外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是

其必须具备的条件。生物医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金

属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致

植入的失败。目前已经用于临床的生物医用金属材料主要有纯金属（钛、留、银、错等），

以及不锈钢、钻基合金和钛基合金等。

2.生物医用无机非金属材料

生物医用无机非金属材料，也可称作生物陶瓷材料，以其无毒性（或毒性极小）、与生物体

组织有良好生物相容性、耐腐蚀等优点受到人们的重视。无机非金属材料主要包括陶瓷、玻

璃、玻璃陶瓷、碳素等。根据无机非金属生物医用材料在生物体内的活性，可以将其分为三

类，分别是生物惰性无机非金属材料、生物活性无机非金属材料、生物可吸收和可降解无机

非金属材料。生物医用无机非金属材料在人体硬组织的缺损修复及重建已丧失的生理功能方

面起着重要的作用。

3.生物医用高分子材料

生物医用高分子材料是生物医用材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料，也是一个

正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源。该类材料除应满足一般的物理、

化学性能要求外，还必须具有足够好的生物相容性。医用高分子材料按性质可分为非降解型

和可生物降解型两类。对于前者，要求其在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联

或物理磨损等，并具有良好的物理机械性能；虽不要求它绝对稳定，但是要求其本身和少量

的降解产物对机体不产生明显的毒副作用，同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用

于人体软组织修复体、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘合剂和管腔

制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲

醛等。可降解型高分子材料主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、

聚乙烯醇、聚己内酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，其降解产物能

通过正常的新陈代谢，或被机体吸收利用，或被排出体外，主要用于药物释放和送达载体及

非永久性植入装置。按使用的目的或用途，医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及

硬组织等修复材料.用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好，不破坏

红细胞、血小板，不改变血液中的蛋白，不干扰电解质等。

4.生物医用复合材料

生物医用复合材料又称生物复合材料，它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医用

材料•，并且与其所有单体的性能相比，复合材料的性能都有较大程度的提高。制备该类材料

的目的就是进一步提高或改善某一种生物医用材料的性能。该类材料主要用于修复或替换人

体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。它除应具有预期的物理、化学性能之外，

还必须满足生物相容性的要求。这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求，而且

复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分，生物医用复合材料可分为高分

子基、金属基和无机非金属基三类。它们既可以作为生物复合材料的基材，又可作为增强体

或填料•，它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医用复合材料。利用生物技

术，一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医用材料，大大改善了其

生物学性能,并可使其具有药物治疗功能，已成为生物医用材料的一个十分重要的发展方向。

根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平，这类材料又可分为生物惰性的、生物活性

的、可生物降解和吸收的等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料，生物医

用复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。

5.生物衍生材料

生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料，也称生物再生材料。

生物组织可取自同种或异种动物体的组织。特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、

灭菌和消除抗原性的轻微处理，以及拆散原有构型，重建新的物理形态的强烈处理。由于经

过处理的生物组织已失去生命力，因此生物衍生材料是无生命力的材料。但是，由于生物衍

生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能，或是其组成类似于自然组织，这类材料在维

持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用，主要用于人工心脏瓣膜、血管修复体、皮肤

掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血浆增强剂和血液透析膜等。

1.3生物相容性

生物医用材料必须具备优良的生物相容性才能被人体所接受，并保证临床使用的安全性。生

物医用材料的生物相容性问题早在20世纪70年代初就受到各国政府和学术界的重视。1992

年，国际标准化组织(ISO)发布《医疗器械生物学评价系列标准》(ISO10993-1992),

已被各国政府采纳。1997年，《医疗器械生物学评价标准》(GB/T16886)等同采用了ISO

10993—1992标准，从而保证了我国生物医用材料和医疗器械研究、生产的质量和临床使用

的安全，促进了生物医用材料研究的发展和水平的提高。

生物相容性是指生物医用材料在生理环境中，生物体对植入的材料的反应和产生有效作用的

能力，用以表征材料在特定应用中与生物机体相互作用的生物学行为。生物医用材料必须对

人体无毒、无致敏、无刺激、无遗传毒性、无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产

生不良反应。因此，材料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。

生物医用材料与组织、细胞、血液接触时，会产生各种反应，包括宿主反应和材料反应(图

1-1)0

，血小板血栓（血小板粘附激活）

凝血系统激活

纤溶系统激活

，血液反应V溶血反应

白细胞反应

细胞因子反应

〔蛋白粘附

（补体系统激活

「宿主反应〈

免疫反应•体液免疫反应（抗原-抗体反应）

I细胞免疫反应

，炎症反应

细胞粘附

生物相容性反应《

1组织反应4细胞增殖（异常分化）

形成囊膜（假内膜）

1细胞质的转变（诱变）

物理性质变化

材料反应｛

化学性质变化

图1-1生物相容性反应

材料与机体之间存在反应，会使各自的功能和性质受到影响，不仅使生物材料变形变性，还

将对机体造成各种危害。图1-2列出了材料与机体相互影响产生的后果。

物理性质变化机械相互作用急性全身毒性

<上

大小性状弹性摩擦过敏反应毒性反应

生

强度硬度脆性生冲击溶血反应发热反应

物

软化相对密度曲绕物神经麻痹

医

熔点导电硬化体

用

物理化学相互作用方慢性全身反应

材

磨耗蠕变热传导<面

料

溶出的毒性致畸

方

化学性质变化吸收反免疫反应功能障碍

面

渗透应

的

亲水-疏水pH值和急性局部反应

变

吸附性降解变

炎症血栓形成

化

溶出性化学相互作用化

坏死排异

渗透性«A

分解慢性局部反应

反应性修饰

致癌钙化

炎症溃疡

图1一2材料与机体相互作用反应示意模式

多数医用材料很难保持植入时的形状、物理化学性能。引起生物医用材料变化的主要因素有:

（1）生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动。

（2）细胞生物电、磁场和电解、氧化作用。

（3）新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应。

（4）细胞粘附吞噬作用。

（5）体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。

生物医用材料及装置植入人体后，引起三种宿主反应：

1.组织反应

当生物医用材料与人体心血管外组织接触时，局部的组织对于异物产生一种机体防御性反

应。例如植入物周围组织将出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞聚集，发生不同程度的急性炎

症。当材料有毒性物质渗出时，局部炎症不断加剧，严重时会出现组织坏死。长期存在植入

物时，材料被淋巴细胞、成纤维细胞和胶原纤维包裹，形成纤维性包膜囊，使正常组织与材

料隔开。如果材料稳定，没有毒性物质渗出，则在半年或更长时间内包膜囊变薄，囊壁中间

淋巴细胞消失。这一薄包膜囊也变成释放体系的缓释层。如果材料中残留的小分子毒性物质

不断渗出，就会刺激局部组织细胞形成慢性炎症，材料周围的包囊壁增厚，淋巴细胞浸润,

逐步出现肉芽肿或发生癌变。

在组织相容性中，最关注的两个问题是炎症和肿瘤。

1）炎症

在体内使用的生物医用材料在临床上最常见的并发症是感染性炎症，引起感染的原因有：①

植入手术过程中，皮肤或组织受到损伤，给微生物的侵入提供机会；②生物医用材料本身灭

菌不彻底带来感染；③生物医用材料引出的无菌性炎症，例如，聚乳酸或聚己内酯在体内降

解时造成局部酸性增加，抑制体内抗炎防御系统的反应性，增加了局部的感染性。

2）肿瘤

生物医用材料引起的肿瘤在体内是缓慢发生的，与材料本身含有毒性物质以及外形和表面性

能有关。因此，对长期在体内应用的生物医用材料要进行慢性毒性、致突变和致癌的生物学

试验。

2.血液反应

近年来心血管系统用生物医用材料研究进展很快，例如各种介入导管、血管支架等。这些生

物医用材料应该具有良好的血液相容性。

材料与血液直接接触时，血液和材料之间将产生一系列生物反应。这些反应表现为：材料表

面出现血浆蛋臼被吸附，血小板粘附、聚集、变形，凝血系统被激活，有可能形成血栓。通

常情况是：材料表面在与血浆接触时，首先吸附血浆蛋白（例如白蛋白、Y球蛋白、纤维蛋

白原等），接着发生血小板粘附、聚集并被激活，同时也会激活凝血因子，随后血小板和凝

血系统进一步相互作用，最后形成血栓。

目前主要通过改变材料结构和表面性能来提高材料血液相容性。例如采用亲水一疏水微相分

离结构、表面肝素化都有助于提高材料的血液相容性。同时研究血液相容性的体内外评价方

法也很重要,特别是从分子水平上研究材料和血液的相互作用，阐明它们之间的关系和机制，

包括血液中各种酶、细胞因子、补体的裂解产物在材料与血液相互作用中的影响。通过建立

比较完善的血液相容性材料的设计理论和研究方法，开发出新的血液相容性更好的生物医用

材料。

3.免疫反应

人体的免疫系统是保护屏障，可防御侵害人体健康的物质和引起疾病的感染源以及其他环境

因素和肿瘤。其功能有两种主要机制：第一种是非特异性免疫反应，例如单核巨噬细胞、粒

细胞和异体巨噬细胞都属于非特异性防御的范畴;第二种是针对诱导物的特异性和适应性机

制，例如淋巴细胞、巨噬细胞及其细胞因子产物都属于特异性防御的范畴。免疫系统可对侵

入的微生物和异物进行不同方式的应答，包括抗体对微生物、病毒表面抗原反应的体液免疫

应答以及由T细胞、巨噬细胞和单核细胞介导的细胞免疫应答。

免疫毒性物质可对免疫体系产生有害的作用，改变免疫系统微妙的平衡，发生以下有害反应：

（1）由于免疫系统中一种或多种损伤或功能削弱而发生免疫抑制反应，结果造成免疫功能

抑制或机体的正常防御功能被损害。

（2）由于特殊免疫应答中的化学物质或蛋白引起的刺激，结果引起超敏和变态反应性疾病。

（3）由于直接或间接刺激自体应答或自体免疫，引起自身免疫性疾病。

目前有些临床已证实有些生物医用材料会产生免疫毒性。例如，有些低分子质量有机分子或

单体会引起超敏反应（如残留乳胶，双酚A,丙烯酸等），有些生物医用材料植入物会造成

异体型慢性炎症反应，发生自体免疫疾病（如聚四氟乙烯、聚酯等）。因此对于生物医用材

料，也必须高度重视可能发生的免疫毒性反应。

引起宿主反应的主要因素有：

（1）材料中残留有毒性的低分子物质。

（2）材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体。

（3）材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解。

（4）材料和制品的形状、大小、表面光滑程度。

（5）材料的酸碱度。

1.4生物医用材料的生物学评价

1.4.1生物相容性评价标准及流程

1.生物相容性的评价标准

从20世纪后期开始，经过十几年的国际间协同研究，目前已经形成了比较完整的生物学评价

框架。国际标准化组织（ISO）以10993编号发布了17个相关标准，同时对医疗器械生物学

评价方法也进行了标准化，其中主要包括：《遗传毒性、致癌性与生殖毒性实验》(ISO10993

一3:1997),《与血液相互作用实验选择》(6010993—4:1997),《细胞毒性实验(体外

法)》(6010993—5:1997),《植入后局部反应实验》(6010993—6:1997),《刺激与

致敏实验》(ISO10993—10:1997),《全身毒性实验》(ISO10993—11:1997)。

生物医用材料的生物相容性评价项目的制定是一个比较复杂的课题，国内外都制定了许多方

法和评价标准，国际标准为ISO10993,中国的标准为GB/T16886,重点都是观察研究材料

植入体内后与机体组织、细胞、血液等短期、长期接触后所引起的各种不同的物理性变化、

化学性变化以及机体反应等。

2.医用材料生物相容性评价流程

生物材料的生物学评价通常包括体外和体内两种实验途径。体外实验是将材料或其浸提液在

体外环境下与细胞或组织接触，观察材料对细胞数量、形态及分化的影响。体内实验则是将

材料直接与动物体接触,观察植入体周围组织反应的情况,这类实验模拟了人体的生理环境,

与材料的最终应用状况接近。目前，动物体内植入实验仍是评价生物材料安全性和有效性的

最主要手段，但是在体内环境中只能对其最后影响结果做出大体评价，而不能对一些参数进

行定量的分析。

医疗器械中的生物学评价主要围绕医用材料展开，其生物相容性的评价流程如图1-3所示。

流程图中可以看出，如果产品在预期应用中已经有确定的安全使用史，则可能不必进一步开

展生物学评价。对于新材料(新化学物质)要先开展定性定量的理化性质的表征和测量。对

于有完全毒理学数据的新化学物质，且使用时接触频率和时间在安全限度内，则不必进一步

进行生物学评价。对于含有可沥滤化学物质的医疗器械及材料，应考虑这些可沥滤物的潜在

协同作用。对于在制造、运输、灭菌、储存过程中可以发生降解的医疗器械及材料•，需要开

展降解实验，并且对降解产物进行生物学评价。

图1-3医疗器械生物相容性评价流程

1.4.2生物相容性评价的实验方法

目前，对生物医用材料生物相容性的评价主要包括血液相容性评价和组织相容性评价两种方

法，前者表示材料与血液之间相互适应的程度，后者表示材料与除血液之外其他组织的相互

适应程度。具体的实验方法包括：细胞毒性实验、血液相容性实验、遗传毒性和致癌实验、

显性致死实验、植入实验（皮下植入实验、骨内植入实验）、过敏实验等。其中最常用的是

细胞毒性实验。

1.细胞毒性实验

细胞毒性实验是指应用体外细胞培养的方法，通过检测材料或者其浸提液对细胞生长情况的

影响来评价材料对细胞的毒性，是检测生物相容性的一种快速、价廉、重复性好的方法。细

胞毒性与被测材料的量尤其是表面积有关。目前几乎所有的生物医用材料都必须通过相关实

验来检测其是否具有细胞毒性，该实验方法的优越性已在国际上得到认可，具体包括以下几

种方法：

1）琼脂覆盖法

琼脂覆盖法是一种半定量的测试方法，用生物医用材料或其提取物均可进行。其方法是将含

有培养液的琼脂层平铺在有单层细胞的培养皿中，再在固化的琼脂层上放上试样进行细胞培

养。此法的优点是适用于多种类型的材料，缺点是其敏感性受到试样溶出物在琼脂层上扩散

程度的影响。此实验成功的技术关键是掌握好琼脂培养基的温度以及正确使用中性红染料.

2）分子滤过法

分子滤过法是通过评价生物医用材料对单层细胞琥珀酸脱氢酶活性的影响来检测细胞毒性

的一种快速简便的方法。该方法能够同时观察生物医用材料的原发性及继发性细胞毒性，其

优点是敏感可靠、易推广，适用于短期内评价有轻度毒性的生物医用材料，但它存在影响析

出产物从材料中扩散的缺点。

3）同位素标记法

同位素标记法包括铭释放法、3H-leucine掺入法、1251-UdR（脱氧尿喘咤核音）释放法、放

射性核甘酸前体物掺入法等。此方法能够深入地了解细胞受生物医用材料毒性的影响而产生

的分子水平的变化，但缺点是方法复杂，与其他体外评价方法无明显相关性，实验结果不仅

容易受到多方面因素的影响，而且易造成放射性污染，不利于操作人员的健康。

4）流式细胞术

流式细胞术主要是用来分析单一的生物材料对体外培养细胞生物合成方面的影响。此技术利

用鞘流原理使被荧光标记的单个悬浮细胞排成单列，按照重力方向流动，细胞被激光照射后

发射荧光，利用检测器逐个对细胞的荧光强度进行测定。其定量分析是根据荧光粒子发出的

光量子而定量的，从而使细胞DNA含量的测定准确、方便、快捷、便于分析，此技术已经

被广泛地应用于免疫学、肿瘤学、血液学、体细胞遗传学等各种医学前沿领域，发展潜力较

大。

5）色度法

（1）四甲基偶氮唾盐微量酶反应比色法（MTT法）：MTT法是一种快速评定细胞毒性和细胞

增殖的比色分析法，常用于细胞代谢和功能的测定。此方法是由Mosroam在1983年提出的，

最初应用于免疫学领域，近几年才在生物医用材料的检测中应用。其基本原理是，线粒体琥

珀酸脱氢酶能够催化四甲基偶氮噗盐形成蓝紫色结晶物并沉积于细胞中，二甲基亚碉

（DMSO）可使结晶物溶解显色，结晶物结晶形成数目的多少与活细胞的数目和功能状态呈

正相关。该方法可以快速、准确、灵敏地反映出细胞增殖程度和材料对细胞造成的细胞毒性

损害程度。近年来，MTT法已经在实验中得到广泛的验证，如vanDijkhuizen-Readersma等应

用MTT法对亲水与疏水的聚乙酸酯高聚物进行了生物相容性的评价，所用标准为ISO10993

-5oJin等在检测银镉烤瓷合金的生物相容性时也采用了MTT法。

（2）乳酸盐脱氧酶效能测定：又称为LDH测定。LDH是一种存在于活细胞中稳定的胞质酶,

其渗出增加提示细胞膜的稳定性遭到破坏。特定的细胞类型在特定的培养环境下每个细胞的

LDH含量是恒定的，而LDH的含量受培养参数的影响（如pH值）«通过测定进入介质的LDH

释放的渗透性能够检测细胞膜的完整性，LDH的活性可以反映细胞线粒体的代谢和功能状

况，进而反映细胞活性。LDH在生物相容性的评价中被广泛应用，尤其是在现代毒物学测

试中可以提供较MTT测试更有价值的信息。然而Issa等发现，MTT测试较LDH测试敏感，但

两者均显示了相似的细胞毒性等级，所以在评价材料的细胞毒性影响方面两者结合应用将更

有价值。

2.血液相容性实验

血液相容性是生物医用材料与血液接触时对血液破坏作用的量度，包括是否能够导致血栓形

成、红细胞的破坏、血小板的减少或激活；能否激活凝血因子和补体系统；能否影响血液中

各种酶的活性；能否引起有害的免疫反应等。其中溶血实验可以作为体外细胞毒性实验的一

个重要补充，如果材料有溶血作用，则提示材料可能具有细胞毒性。血液相容性的研究目前

主要集中在补体、血小板、白细胞、凝血因子等方向。血液相容性实验对用于心血管体系的

生物医用材料发展有着重要的作用，但由于血凝机制和体内环境的多变性及复杂性，故而要

求通过体内和体外实验从凝血、血小板、血栓形成、血液学或免疫学等多方面对生物医用材

料的相容性进行评价，但是具体评价方法和指标都未统一，更没有标准化。

3.遗传毒性和致癌实验

遗传毒性和致癌实验是生物材料中最复杂的问题。在体外检测方法中常用Ames实验，这是

一种由细菌介导的检测基因毒物的方法，也是检测基因突变最常用的方法。但是由于Ames

实验菌种的变异，使实验结果的假阴性率不断增加，已由原来的10%增加到30%〜40%,因

此为了对遗传毒性和致癌性作出准确科学的评价，一般同时还需要进行体外染色体畸变实验

和微核实验以便相互补充。在20世纪70年代初，由Heddle和Schmid利用啮齿类骨髓细胞建立

了微核测定方法，目前许多国家和国际组织已将微核实验规定为安全性评价必做的实验。

4.植入实验

植入实验包括皮下植入和骨内植入两种实验方法，是评价材料生物相容性和安全性的主要体

内方法。该方法是通过将生物医用材料植入动物的合适部位（如皮下、肌肉），在一定时期

通过组织学切片观察组织的变化，植入物周围纤维包膜的形成常被认为是材料与机体组织之

间的理想反应，是提示材料生物相容性良好的一个重要指标。皮下植入实验适用于评价长期

与组织接触的材料对皮下组织的反应。材料与对照材料分别植入到相同年龄、性别、种属动

物的同一部位，实验周期为4〜12周。术后定期对动物的生物反应进行评价，包括大体观察

和组织病理学评价。在长期皮下植入时，围绕植入物是否形成肿瘤是开发下一代人工器官及

生物材料需要解决的一个问题。骨内植入实验是指在实验动物左右肢（一般选择股骨外侧或

者胫骨内侧）的同一位置处一侧放置实样，另一侧放置对照样本。实验期内观察动物并记录

异常表现，实验完毕后对植入体周围组织进行生物反应评价。

5.过敏实验

在动物腹腔内注射一定剂量的浸提液，每次注射后观察15min,特别是注意观察末次注射后

有无用爪搔鼻、喷嚏、竖毛、抽搐、呼吸困难、尿便失禁、休克、死亡等反应。必须设立阴

性对照组，并且保证遵循随机化原则。

1.4.3生物相容性评价方法的展望

对生物医用材料的生物相容性评价，不仅要从整体水平去观察材料对人体各系统的影响，从

细胞水平去观察材料对细胞的数量、形态及分化的影响，还要深入到分子水平去观察材料对

细胞DNA、mRNA以及蛋白表达水平的影响，从整体、细胞和分子生物学这3个水平全方位

地评价生物医用材料的生物相容性，以确保生物医用材料安全地应用于人体组织。建立材料

对分子、细胞及机体相互作用的系统性评价已成为生物材料评价的发展趋势和最终目的。

随着分子生物学近几年的迅速发展，生物相容性评价方法的研究已经深入到了分子水平，并

且提出了分子生物相容性的概念。从分子水平评价医用生物材料的安全性与有效性将成为未

来生物材料领域的研究重点和前沿课题。在未来的研究中应突破传统的实验方法，从分子水

平上研究材料对生物体细胞的基因结构、转录和翻译机制的影响，促进分子和细胞水平的研

究与动物整体实验结果相结合，探索分子和细胞的变化与动物整体表现的相似性，从而在基

因分子生物学水平上建立评价生物材料生物相容性的标准。分子生物学和分子基因学的实验

方法在新型材料生物相容性的评价研究中可以取代某些啮齿类动物实验，包括特殊的检测核

酸（RNA、DNA）技术。目前研究者已经着手从蛋白质组学和转录组学的角度对机体和生

物材料之间的相互作用进行深入的研究，这些角度的研究将为建立快速、高效和准确的生物

相容性评价体系奠定基础，同时也在一定程度上进一步帮助了解生物相容性的分子基础。

1.5生物医用材料的管理

1.5.1生物医用材料标准

1976年，美国国会最早立法，授权食品药品管理局（FDA）管理医疗器械，并实行售前审批

制度。随后，西欧、日本、加拿大、澳大利亚等也相继进行强制性管理。与此同时，国际各

学术机构和团体也加强了医疗器械的安全性评价研究。

1979年，美国国家标准局和牙科协会首先发布了《口腔材料生物学评价标准》（ANSI/ADA

41—1979）。

1982年，美国材料试验协会（ASTM）发布了《生物材料和医疗器械的生物学评价项目选择

标准》（ASTMF748—82）,并随后相继颁布了相关的生物学评价试验标准。

1984年，国际标准化组织（ISO）颁布了《口腔材料生物学评价标准》，加拿大颁布了《生

物材料评价试验方法标准》。

1986年，美国、英国和加拿大的毒理学和生物学专家制定了《生物材料和医疗器械生物学评

价指南》。

1987年，美国药典（USP）发布了《医用塑料的生物学评价试验方法（体外）》。

1988年又发布了《医用塑料的生物学评价试验方法（体内）》。

1990年，联邦德国发布了《生物材料的生物学评价标准》。

1992年，日本完成了《生物材料和医疗器械的生物学评价指南》。

国际标准化组织在1989年专门成立“194技术委员会”,研究制定《生物学材料和医疗器械

生物学评价标准》。

在我国，生物医用材料的管理日趋规范和完善。生物医用材料的使用直接关系到人的生命安

全，生物安全性和可靠性，是其临床应用关注的首要问题。我国政府十分重视医疗器械和生

物医用材料产品的质量，国务院已于2000年颁布了《医疗器械监督管理条例》，国家食品药

品监督管理总局制定了一系列规章和规范性文件，努力完善产品标准、市场准入及上市后监

督管理规范，并尽量使之与国际接轨，促使行业的国际化和实现医疗器械国际贸易的真正平

等。

为完善生物医用材料标准、确保产品质量，国家已相继建立了13个与生物医用材料相关的技

术标准化委员会，负责标准的制定和修订，已制定和颁布医疗器械行业标准629个、国家标

准157个，特别是在组织工程化产品质量控制方面我国已颁布8个标准，和国际处于同一水平。

我国从20世纪70年代后期开始研究生物医用材料和医疗器械的生物学评价，基本上是和国外

同步开展这方面的研究的。1983年，由中国药品生物制品检定所牵头的十个研究单位承担了

国家科委“六五”课题一一医用热硫化甲基乙烯基硅橡胶标准研究，在该课题中，对生物医

用材料生物学评价试验项目选择（短期）和试验方法进行了研究。1987年，卫生部将此标准

正式发布（WS5-1-87）,为我国开展生物医用材料和医疗器械发展的需要，国内急需一个

与国际评价标准接轨和统一的生物学评价标准，为此，中国药品生物制品检定所、上海第二

医科大学、天津医药科学研究所、中山医科大学、四川劳动卫生职业病防治研究所和第四中

医大学六个单位在1990年承担了卫生部科学研窕基金课题一一生物材料和制品的生物学评

价标准。1994年正式完成此课题，并通过卫生部组织的专家鉴定。1997年将ISO10993—1、

ISO10993—3>ISO10993—5,ISO10993—6,ISO10993—11五个标准转化成国标，并以

GB/T16886—1、GB/T16886—3、GB/T16886—5、GB/T16886—6、GB/T16886—11颁布。

1998年，国家药品监督管理局成立后，于2000年将ISO10993—2.ISO10993—10、ISO10993

—12三个标准转化成国标GB/T16886—2、GB/T16886—10、GB/T16886—12,同时编写GB/T

16886（即ISO10993）的宣传贯彻教材，在全国开展GB/T16886的宣传贯彻工作。

1.5.2我国生物医用材料产业及管理现状

我国是生物医用材料和器械的需求大国，医疗保健服务人口基数大，医疗费用十年平均增长

率近20%,远远高于同期国民经济增长率，已逐渐成为社会和公民的沉重负担。但我国生物

医用材料产业基础薄弱，生物医用材料及器械产品单一，技术落后，科技和产品脱轨，70%〜

80%要依靠进口。同时我国材料加工工艺与发达国家差距较大，基础研究水平不高，这些都

直接制约了新技术和新材料的开发和应用，加之资金匮乏及合作单位等原因，造成生物医用

材料科研成果难以产业化。在我国，药品和医疗器械产值的比例约为10：2.5,远远落后于

国际上的比例（10：7）；而我国在世界生物医用材料及制品市场中所占份额不足3%。这意

味着我国生物医用材料产业今后将直接面临世界市场的竞争限制和压力，也预示着巨大的产

业前景。

目前，我国已取得一批具有自主知识产权的技术项目，并逐步形成生物医用材料的研发机构

和团队。涉及生物医用材料的学会及协会组织有中国生物医学工程学会生物医用材料分会，

中国人工器官学会，北京生物医学工程学会，上海市生物医学工程学会生物医用材料专业委

员会，四川省生物医学工程学会，重庆市生物医学工程学会，中国生物复合材料学会和中国

生物化学与分子生物学会等。目前国家已经建立与生物医用材料相关的各类国家重点实验室

及研究中心十余个。

我国早于20世纪80年代就是国际标准化组织（ISO）成员，享有直接参与对口国际标准草案

投票的权利，国际标准取标率已近80%,促进了医用器械产品标准的国际化。

医疗器械检测机构是行政管理的技术支撑。目前经国家药监局认可的医疗器械检测机构已达

到50家，基本满足了我国医疗器械检测和监督管理的需要。为确保产品质量的安全性和可靠

性，从2008年起，国家食品药品监督管理总局对生物医学材料和植入器械的第三类医疗器械

强制要求建立和执行GMP质量管理体系，使产品标准和生产质量管理符合国际规范，确保

产品的质量和安全有效。

为了进一步加快我国生物医用材料产业的发展，可以从以下几方面着手改进：

（1）利用现代高科技，加速生物医用材料及制品的开发。

（2）促进完整产业链的形成，加强科研成果转化能力，创新能力。

（3）建立完善科研及企业发展融资渠道。

（4）生产企业形成规模化、集中化，增强市场竞争力。

（5）完善产业接轨机制，协助风险投资出口。

（6）管理部门形成统一全面的协调机制，建立健全政策法规，促进中资企业的发展。

1.6生物医用材料的发展趋势

迄今为止，被详细研究过的生物材料已有1000多种，医学临床上广泛使用的也有几十种，涉

及材料学的各个领域。生物医用材料得以迅猛发展的主要动力来自人口的老龄化、中青年创

伤的增多、疑难疾病患者人数的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健

康与长寿的追求，激发了对生物医用材料的需求。目前，生物医用材料研究的重点是在保证

安全性的前提下寻找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料。

当代生物医用材料的发展不仅强调材料自身理化性能和生物安全性、可靠性的改善，而且更

强调赋予其生物结构和生物功能，以使其在体内调动并发挥机体自我修复和完善的能力，重

建或康复受损的人体组织或器官。目前国际上生物医用材料学科的最新进展和发展趋势概括

为如下几方面。

1.组织工程材料

组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护、增进人体细

胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修

复和重建，延长寿命和提高健康水平。

（1）首先，将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好的、可被人体逐步降解吸收的

生物医用材料（组织工程材料）上，形成细胞一生物医用材料复合物。

（2）生物医用材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境。

（3）随着材料的降解和细胞的繁殖，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官。

（4）这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器官进行结构、形态和功能的重建,

并达到永久替代。

近10年来，组织工程学已经发展成为集生物工程、细胞生物学、分子生物学、生物医用材料、

生物技术、生物化学、生物力学以及临床医学于一体的一门交叉学科。

生物医用材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物医用材料提出问题

和指明发展方向。由于传统的人工器官（如人工肾、肝）不具备生物功能（代谢、合成），

只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重

视。构建组织工程人工器官需要三个要素，即“种子”细胞、支架材料、细胞生长因子。最

近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用做“种子”细胞构建人工器官成为热点。组

织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展

现出美好的应用前景。当前软组织工程材料的研究和发展主要集中在新型可降解生物医用材

料上。例如，研究用物理、化学和生物方法以及基因工程手段改造和修饰原有材料，研究材

料与细胞之间的反应和信号传导机制以及促进细胞再生的规律和原理，研究细胞机制的作用

和原理等，以及研制具有选择通透性和表面改性的膜材，发展对细胞和组织具有诱导作用的

智能高分子材料等方面。当前硬组织工程材料的研究和应用发展主要集中在碳纤维/高分子

材料、无机材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）、高分子材料的复合研究上。

2.生物医用纳米材料

纳米生物材料，在医学上主要用做药物控释材料和药物载体。从物质性质上可以将纳米生物

材料分为金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒和生物降解性高分子纳米颗粒；从形态上可以

将纳米生物材料分为纳米脂质体、固体脂质纳米粒、纳米囊（纳米球）和聚合物胶束。

纳米技术在20世纪90年代获得了突破性进展，在生物医学领域的应用研究也得到不断扩展。

目前，纳米技术的研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。药物控释是指药物通

过生物材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程。具有上述性能的生物材料是实现药物

控释的关键，可以提高药物的治疗效果，减少其用量和毒副作用。由于人类基因组计划的完

成及基因诊断与治疗不断取得进展，科学家对使用基因疗法治疗肿瘤充满信心。基因治疗是

通过导入正常基因于特定的细胞（癌细胞）中，对缺损的或致病的基因进行修复；或者通过

导入能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因，或导入能阻止体内致病基因合成蛋白质的

基因片断来阻止致病基因发生作用，从而达到治疗的目的，这是治疗学的一个巨大进步。基

因疗法的关键是导入基因的载体，只有借助于载体，正常基因才能进入细胞核内。目前，高

分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体，它具有承载容量大，安全性高的特点。近年

来新合成的一种树枝状高分子材料作为基因导入的载体值得关注。

此外，生物医用纳米材料在分析与检测技术、纳米复合医用材料、与生物大分子进行组装、

用于输送抗原或疫苗等方面也有良好的应用前景。纳米碳材料可显著提高人工器官及组织的

强度、韧度等多方面性能；纳米高分子颗粒可以用于某些疑难病的介入诊断和治疗；人工合

成的纳米级类骨磷灰石晶体已成为制备纳米类骨生物复合活性材料的基础。该领域未来的发

展趋势是，纳米生物医用材料“部件”与纳米医用无机材料及晶体结构“部件”的结合发展,

如由纳米微电子控制的纳米机器人、药物的器官靶向化；通过纳米技术使介入性诊断和治疗

向着微型、微量、微创或无创、快速、功能性和智能性的方向发展；模拟人体组织成分、结

构与力学性能的纳米生物活性仿生医用复合材料等。

3.活性生物医用材料

活性生物医用材料是一类能在材料界面上引发特殊生物反应的材料。这种反应致使组织和材

料之间形成化学键合。这一概念是在1969年由美国人L.Hench在研究生物玻璃时发现并提出

的，进而在生物陶瓷领域引入了生物活性概念，开创了新的研究领域。经过三四十年的发展,

生物活性的概念在生物医用材料领域已建立了牢固的基础。如B-磷酸三钙可吸收生物陶瓷

等，在体内可被降解吸收并为新生组织所代替，具有诱出特殊生物反应的作用；由于羟基磷

灰石是自然骨的主要无机成分，故将其植入体内不仅能传导成骨，而且能与新骨形成骨键合,

当在肌肉、韧带或皮下种植这一成分时，能与组织密合，无炎症或刺激反应。生物活性材料

具有的这些特殊的生物学性质，有利于人体组织的修复，是生物医用材料研究和发展的一个

重要方向。

4.生物医用金属材料

生物医用金属材料的发展相对比较缓慢，但由于金属材料具有其他材料不能比拟的高机械强

度和优良的抗疲劳性能，目前仍是临床上应用最广泛的承力植入物。目前，对金属生物材料

的研究热点集中在银钛合金和新型生物医用钛合金两个方向。金属生物材料的发展方向在于

用生物适应性优良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn合金元素取代钛合金中有毒性的Al、V等；另外，

可被体液腐蚀吸收的生物医用镁合金也逐渐受到了重视。

5.材料表面改性的新方法和新技术

表面改性研究是以大幅度改善生物医用材料与生物体的相容性为目标。除了设计、制造性能

优异的新材料外，通过对传统医用材料进行表面化学处理（表面接枝大分子或基团）、表面

物理改性（等离子体、离子注入或离子束）和生物改性是有效途径。材料表面改性的新方法

和新技术是生物医用材料研究的永久性课题。目前流行的一些材料表面改性新方法包括等离

子体表面改性、离子注入表面改性、表面涂层与薄膜合成、自组装单分子层、材料的表面修

饰等。这个领域已成为生物材料学科最活跃、最引人注目和发展迅速的领域之一。

6.介入治疗材料

介入治疗是指在医学影像技术（如X射线透视、CT、超声波、核磁共振）引导下，用穿刺针、

导丝、导管等精密器械进入病变部位进行治疗。介入治疗能以微小的创伤获得与外科手术相

同或更好的治疗效果。介入治疗材料包括支架材料、导管材料及栓塞材料等。

置入血管内支架是治疗心血管疾病的重要方法，当前冠脉支架多为医用不锈钢通过雕刻或激

光蚀刻制备，在体内以自膨胀、球囊扩张式或扩张固定在血管内壁上。虽然经皮冠状动脉介

入性治疗取得较好的效果，但术后6个月再狭窄发生率较高（约30%）,是介入性治疗面临

的重要问题。近年来的研究方向有药物涂层支架、放射活性支架、包被支架、可降解支架等。

管腔支架大多采用银钛形状记忆合金制备，有自膨胀和球囊扩张式两类，主要用于治疗晚期

恶性肿瘤引起的胆道狭窄，晚期气管、支气管或纵膈肿瘤引起的呼吸困难、支气管良性狭窄

等；不能手术切除的恶性肿瘤引起的食管矮及恶性难治性食管狭窄等。制作导管的材料有聚

乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。

导管外层材料多为能够提供硬度和记忆的聚酯、聚乙烯等，内层为光滑的聚四氟乙烯。栓塞

材料按照材料性质可分为对机体无活性、自体材料和放射性颗粒三种。理想的栓塞材料应符

合无毒、无抗原性，具有良好相容性，能迅速闭塞血管，能按需要闭塞不同口径、不同流量

的血管，易经导管运送，易得，易消毒等要求。更高的要求是能控制闭塞血管时间的长短，

一旦需要可经皮回收或使血管再通。常用栓塞材料包括自体血块、明胶海绵、微胶原纤维、

胶原绒聚物等。

7.血液净化材料

血液净化是采用过滤沉淀或吸附的原理，将体内内源性或外源性毒物（致病物质）专一性或

高选择性地去除，从而达到治病的目的，是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药

物中毒、免疫性疾病（系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎）、高脂血症等，都可采用血液净

化疗法治疗，其核心是滤膜、吸附剂等生物医用材料。血液净化材料的研究和临床应用，在

II本和欧洲成为了生物医用材料发展的热点。

8.复合生物医用材料

作为硬组织修复材料的主体，复合生物医用材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特

点，目前已广泛应用于临床。通过具有不同性能材料的复合，可以达到“取长补短”的效果,

有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题，是生物医用材料新品种开发的有效手段。提

高复合材料界面之间结合程度（相容性）是复合生物医用材料研究的主要课题。根据使用方

式的不同，该领域研究较多的是合金、碳纤维/高分子材料、无机材料（生物陶瓷、生物活

性玻璃）/高分子材料的复合研究。

9.口腔材料

口腔材料学是口腔医学与材料学之间的交叉学科，其品种及分类方法很多，可以分为口腔有

机高分子材料、口腔无机非金属材料、口腔金属材料、口腔辅助材料；也可分为烤瓷材料、

种植材料、充填材料、粘结材料、印模材料、耐火包埋材料。近年来组织工程技术在口腔临

床中开始应用，主要是膜引导组织再生技术、牙周外科治疗和即刻植入修复中的应用。口腔

材料中的生物化仿生材料尚待今后的研究和探讨。陶瓷材料脆弱的挠曲强度一直困扰着牙科

医生和患者。而牙科修复学中颜色的再现问题是影响牙齿及修复体美观的一个重要因素。因

此牙科陶瓷技术正沿着克服材料的脆性，精确测定牙的颜色并提供组成与性能稳定的陶瓷材

料的方向发展。

10.生物相容性评价标准

新的生物相容性内容的研究对材料的生物学评价提出新的要求，除了目前的ISO10993系列

标准外，新的评价方法将从以下几个方面展开：

（1）生物医用材料对人体免疫系统的影响。

（2）生物医用材料对各种细胞因子的影响。

（3）生物医用材料对细胞生长、凋亡的影响。

（4）降解控释材料对人体代谢过程的影响。

（5）智能材料对人体信息传递和功能调控的影响。

（6）药物控释材料、净化功能材料、组织工程材料的生物相容性评价。

思考题

1.什么是生物医用材料？它与其他材料相比，有什么特点？

2.临床医学对生物医用材料有哪些基本要求？

3.生物医用材料按材料的组成和性质可分为哪几类？

4.简述生物医用材料与机体相互影响可能产生的后果。

5.简述生物医用材料的生物学评价。

6.简述我国生物医用材料产业现状。

7.简述生物医用材料的发展趋势。

第2章生物医用金属材料

2.1概述

生物医用金属材料是一种用作生物医用的金属或合金材料。金属材料在医学中的应用已有很

长的历史，公元前400—300年，腓尼基人就将金属丝用于修复牙缺失，在中国唐代（618-

907）,有用银膏补齿的记载，银膏的成分是银、汞和锡，与现代的银汞合金很相似。最先

广泛应用于临床治疗的金属材料是具有良好化学稳定性及加工性能的金、银、伯等贵金属，

但以修补为主。直到20世纪初，不锈钢的开发应用才使得金属材料在生物医用领域的应用发

展更为广阔。

近20年来，与发展迅速的生物医用高分子材料、生物陶瓷材料、复合材料以及杂化和衍生材

料相比，金属植入材料的发展较为缓慢，但由于金属植入材料除具有其他材料不能比拟的高

强度、耐疲劳和易加工等优良性能以外，一些材料还具有一定的韧性，所以目前在临床应用

上仍占有重要地位。其通常用于整形外科、牙科等领域，具有治疗、修复、固定和置换人体

硬组织系统的功能。目前临床应用的金属材料主要包括医用贵金属，医用钛、但、锯、错等

单质金属，以及不锈钢、钻基合金、钛合金、银钛形状记忆合金、磁性合金等。

目前，生物医用金属材料在应用中面临的主要问题是生理环境的腐蚀所造成的金属离子向周

围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效。

为了改善这些材料的生物性能，近代表面改性技术已广泛用于材料的表面处理，使金属材料

得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中不可或缺的材料之一.

生物医学金属材料服役期内，是处于人体生理环境中的。尽管使用目的各异，具体要求存在

一定差异，但均有可能出现诸如感染、松动、过载、疲劳断裂、磨损、致敏或致癌等问题，

因此必须考虑几个相互关联的因素，即材料性能及其对人体影响等方面,具体包括材料性质、

材料加工工艺、器件体内承受的应力和有关组织反应等。从而要求材料必须具有良好的生物

相容性，在体内不产生有害影响，具有适当的机械和理化性能，符合生物力学结构，具有简

易可行和确切的手术操作技术，以及材料来源广且价格低、加工简易等。

2.1.1医用金属材料的生物相容性和腐蚀性

1.医用金属材料的生物相容性

金属材料作为人体植入材料应具有良好的生物相容性，无不良刺激、无毒害，不引起毒性反

应、免疫反应或干扰免疫机制，不致癌、不致畸，无炎性反应，不引起感染，不被排斥。生

物医用金属材料植入人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久

对于金属人工关节来说在15年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面或多或少会有离

子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织，因此，材料对生物组织无毒就成为选择材料的必

要条件。

毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若需在材料中引入有毒元素来提高其他

性能，首先应考虑采用合金化来减小或消除毒性，并提高耐蚀性能。某些有毒金属单质与其

他金属元素形成合金后，可以减小甚至消除毒性。例如，不锈钢中有毒的铁、钻、银，加入

2%有毒的被可以减小毒性，加入20%的倍则可消除毒性并增强耐蚀性；因此，合金的研制

对开发新型生物医用材料有重要意义。另外，也可采用表面保护层和提高光洁度等方法来提

高抗蚀性能。

元素周期表上70%的元素是金属，但由于毒性和力学性能差等原因，适合用于生物医用材料

的纯金属很少，多为贵金属或过渡金属元素。其中基本无毒的金属单质有：铝（A1）、钱（Ga）、

纲（In）、锡（Sn）、钛（Ti）、错（Zr）、钥（Mo）、鸨（W）、金（Au）、粕（Pt）,

在常用的生物医用合金材料中，还常采用铁（Fe）、钻（Co）、铭（Cr）、银（Ni）、帆

（V）、锦（Mn）等元素，如不锈钢（Cr-Ni-Mn-Fe）、钻合金（Co-Cr-Ni-Mn-W-Fe）等。

金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。一

般可通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。

2.医用金属材料的腐蚀性能

金属材料的缺点主要是腐蚀问题。植入体内的金属材料浸泡在人体体液，如血液、间质液、

淋巴和关节滑液中，它们均含有蛋白质、有机酸、碱金属和无机盐，其中Na+、K+、Cl-等

离子均是电解质，可使金属产生均匀腐蚀。

金属材料的腐蚀，除均匀腐蚀外，还可由成分的不纯、组织的不均匀性、材料的混用、应力

集中或疲劳断裂等因素引起。

腐蚀不仅降低或破坏金属材料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物，对人体有刺激性和

毒性。

生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有8种类型：

（1）均匀腐蚀。化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐

蚀。腐蚀产物及其进入人体环境中的金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。

（2）点腐蚀。点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了微电池作用，

而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。临床资料证实，医用不锈钢发生点腐蚀的可能性较大。

（3）电偶腐蚀。发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。多见于两种以上材

料制成的组合植入器件，甚至在加工零件过程中引入的其他工具的微粒屑，以及为病人手术

所必须使用的外科器械引入的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀。因此，临床上建议使用单一材

料制作植入部件以及相应的手术器械、工具。

（4）缝隙腐蚀。由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀，属闭塞电池腐蚀，多

发生在界面部位，如接骨板和骨螺钉，在不锈钢植入器件更为常见。

（5）晶间腐蚀。发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀，可导致材料力学性能严重下降。

一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量来改善晶间腐蚀倾向。

（6）磨蚀。植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损和腐蚀环境作用所造成的

腐蚀。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钻基合金的耐磨蚀能力优良。

（7）疲劳腐蚀。材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的腐蚀，表面微裂纹和

缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此，提高表面光洁度可改善这一性能。

（8）应力腐蚀。在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的行为。在裂纹尖端处

可发生力学和电化学综合作用，导致裂纹迅速扩展而造成植入器件断裂失效。钛合金和不锈

钢对应力腐蚀敏感，而钻基合金对应力腐蚀不敏感。

在设计和加工金属医用植入器件时，一方面，必须考虑上述8种腐蚀可能造成的失效，从材

料成